На основании результатов новой работы исследователи сообщают, что распространению водородных топливных элементов могут помочь наночастицы кремния – они реагируют с водой с гораздо большей скоростью, чем компактная форма кремния.

Водородные топливные элементы могут генерировать электроэнергию, не выделяя опасных продуктов сгорания, однако для применения таких устройств существует значительное препятствие – транспортировка огнеопасного газообразного вещества представляет собой весьма рискованное мероприятие.

Для исключения рисков и развития новых подходов к водородной энергетике исследователи разрабатывают системы, позволяющие производить водородное топливо за счет расщепления воды на газообразные водород и кислород.

На основании результатов новой работы исследователи сообщают, что

распространению водородных топливных элементов могут помочь наночастицы кремния – они реагируют с водой с гораздо большей скоростью, чем компактная форма кремния.

Некоторые прототипы систем, генерирующих водород, работают с такими материалами, как гидриды магния, алюминия или цинка, в результате взаимодействия которых с водой выделяется водород. Для активации реакции этих соединений с водой не требуется свет, катализатор или нагревание, однако из-за небольшой скорости реакции с водой они не являются идеальными для тех практических приложений, в которых требуется быстрая генерация электроэнергии.

Рис. 1. Наночастицы кремния диаметром 10 нм быстро
реагируют с водой с выделением водорода. (Рисунок из
Nano Lett., DOI: 10.1021/nl304680w).

Парас Прасад (Paras N. Prasad) и Марк Свихарт (Mark T. Swihart) из Университета Буффало решили проверить, а не будет ли эффективность наночастиц кремния выше, чем эффективность гидридов. Известно, что компактный кремний медленно реагирует с водой с выделением водорода, однако по мере протекания реакции, оксид, образующийся на поверхности кремния, тормозит ее протекание. Химики посчитали, что высокое отношение площади к объему в наночастице кремния приведет к существенному увеличению скорости реакции.

Исследователи изучили реакцию водного раствора со слегка основной средой с тремя типами наночастиц кремния, форму которых можно, огрубляя, принять за сферическую: изучались коммерчески доступные частицы с диаметрами 100 нм и 40 мкм, а также частицы с диаметром 10 нм, произведенные непосредственно в лаборатории. Исследователи сообщают, что

наименьшие по размеру частицы характеризуются удивительно большим значением скорости реакции с водой. Частицы с диаметром 10 нм позволяют получить 1 ммоль водорода за пять секунд, в то время, как частицы с диаметрами 0,1 и 40 мкм справляются с этой задачей за 811 и 3075 секунд соответственно.

Свихарт отмечает, что

реакция десятинанометровых частиц кремния с водой протекает в шесть раз быстрее, чем реакция воды с наночастицами цинка и алюминия – прежними рекордсменами в этой области.

Чтобы убедиться в том, что реакция выделения водорода протекает без образования побочных продуктов, способных нарушить работу топливного элемента, исследователи из Буффало протестировали частицы в водородном элементе, заполненном водой. Во время непродолжительного испытания смесь наночастиц с водой обеспечила водородом работу серийного топливного элемента на время, составляющее около 4 минут. Работа элемента происходила в штатном режиме, единственным топливом для него был чистый водород, и существенного повреждения устройства не наблюдалось.

Однако Джон Тернер (John Turner), специалист по топливным элементам, не считает, что нанокремний представляет собой хорошее средство для генерации водорода, особенно если речь идет о благой цели получения чистой энергии.

Дело в том, что исследователи из группы Прасада получали наночастицы из газообразного силана, получение которого требует больших затрат энергии, в результате чего выделяется диоксид углерода. Тернер отмечает, что, говоря о чистой энергии, необходимо не зацикливаться на какой-либо одной стадии, а изучать весь процесс со всеми стадиями.